북극땅다람쥐는 베이지색과 황갈색 털을 갖고 있으며, 등에 흰색 반점이 나 있다. 짧은 얼굴과 작은 귀, 검은색 꼬리, 눈 주위의 흰 얼룩을 갖고 있다. 여름에서 겨울까지 털 색의 변화가 일어난다. 여름에 뺨과 옆면을 따라 붉고 노란색 털이 난다. 가을에는 붉은색 반점과 함께 은색 털로 바뀐다. 평균 몸길이는 약 39cm이다. 북극땅다람쥐는 계절 변화에 따라 격렬한 몸무게가 크게 변하기 때문에 평균 몸무게를 측정하기 어렵지만 성체 암컷은 750g에 가까운 반면에 수컷은 일반적으로 암컷보다 약 100g 정도 더 무겁다.
동면을 하는데, 이때의 북극땅다람쥐는 현존하는 포유류 중 가장 낮은 신체 온도를 자랑한다. 뇌의 온도는 빙결점 가까이 가며, 심부온도는 -2.9°C 아래로 떨어지고 심장은 분당 1회가량 뛰게 된다. 말초신경과 장, 혈액의 온도는 0도에 가까워진다. 이때, 혈액이 얼지 않는 이유로 유력한 가설은 얼음의 핵이 될 것들이 몸 속에 생기지 않아 혈액이 과냉각 상태로 유지되기에 혈액이 액체 상태로 남아있을 수 있다는 것이다. 이 동면기간 중 동면은 2~3주가량 지속되다가 잠시 깨어나 12~15시간 정도는 정상체온으로 돌아오는 것을 반복한다.